液氨儲(chǔ)罐封頭焊縫的相控陣超聲檢測(cè)

， ， ，唐飛陽(yáng)，

(1.中國(guó)石油獨(dú)山子石化分公司壓力容器檢驗(yàn)所，克拉瑪依 833699;2.中國(guó)石油獨(dú)山子石化公司乙烯廠，克拉瑪依 833699)

在工業(yè)生產(chǎn)中,液氨是一種重要的化工原料和制冷劑，液氨儲(chǔ)罐的封頭是壓力容器的重要組成部分，是主要的受壓部件。標(biāo)準(zhǔn)GB 150-2011《壓力容器》中規(guī)定封頭拼接焊縫屬于A類焊縫，該類焊縫在制造過(guò)程中易產(chǎn)生缺陷，因此需要對(duì)其進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

基本上以氨為制冷劑的裝置都連接著冷庫(kù)，所以停機(jī)檢驗(yàn)會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第8.8條規(guī)定,以氨為制冷劑時(shí)，單臺(tái)儲(chǔ)氨器容積不大于5 m3且總?cè)莘e不大于10 m3的小型制冷裝置中，壓力容器的定期檢驗(yàn)可以在系統(tǒng)不停機(jī)的狀態(tài)下進(jìn)行。其第8.8.3.5.3條規(guī)定采用超聲檢測(cè)方法對(duì)埋藏缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，因?yàn)閮?chǔ)罐筒體與封頭是一種壁厚不對(duì)稱的特殊對(duì)接焊接接頭，所以常規(guī)超聲檢測(cè)時(shí)主要存在以下難點(diǎn)：① 焊縫內(nèi)部因成型不良等因素導(dǎo)致的干擾回波較多；② 只能單面單側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)結(jié)果存在影響。

相控陣超聲檢測(cè)能實(shí)現(xiàn)工件和缺陷的A，B，S掃描及多種顯示，缺陷定位、定量檢測(cè)的誤差小，檢測(cè)靈敏度高[1]。

小型液氨儲(chǔ)罐封頭焊縫屬于不對(duì)稱的特殊焊縫，對(duì)該類焊縫的表面缺陷檢測(cè)主要分為滲透檢測(cè)和磁粉檢測(cè)[2]，對(duì)焊縫的內(nèi)部缺陷檢測(cè)分為常規(guī)超聲檢測(cè)和射線檢測(cè)。在定期檢驗(yàn)過(guò)程中，小型液氨儲(chǔ)罐往往因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)環(huán)境限制而無(wú)法實(shí)施射線檢測(cè);結(jié)構(gòu)曲率的變化會(huì)影響常規(guī)超聲檢測(cè)，只能對(duì)其進(jìn)行單面單側(cè)的檢測(cè)，不滿足標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.3-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》中的超聲檢測(cè)中級(jí)靈敏度(B級(jí))檢測(cè)的要求，會(huì)存在缺陷漏檢、定位和定量不準(zhǔn)確的問(wèn)題。相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)可以很好地解決上述問(wèn)題，其只需要一個(gè)探頭在相對(duì)于焊縫中心線處保持固定距離，在移動(dòng)探頭的情況下進(jìn)行快速扇掃描和線掃描，就可以有效檢出缺陷，大大提高檢出率。

1 相控陣超聲檢測(cè)試驗(yàn)方法

1.1 檢測(cè)設(shè)備

采用以色列ISONIC 2010相控陣超聲檢測(cè)儀，在相控陣探頭的各種參數(shù)中，跟實(shí)際應(yīng)用密切相關(guān)的是頻率、晶片數(shù)、晶片參數(shù)和楔塊參數(shù)。選擇頻率為4 MHz，16晶片，晶片間距為0.5 mm，斜鍥角度為36°的探頭。相控陣超聲檢測(cè)掃查角度最小為35°，最大為69°。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32563-2016 《無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 相控陣超聲檢測(cè)方法》，在單側(cè)檢測(cè)時(shí)，需要進(jìn)行3次波檢測(cè)或沿線柵格掃查。

1.2 檢測(cè)靈敏度

設(shè)置DAC(距離-幅度曲線)靈敏度，檢測(cè)深度范圍為6～50 mm時(shí)，將DAC曲線的最大聲程處規(guī)格為φ2 mm×40 mm(直徑×深度)橫孔回波調(diào)至滿屏的適當(dāng)高度(如90%)作為掃查靈敏度。

1.3 缺陷長(zhǎng)度確定

若缺陷最高幅度未超過(guò)滿屏100%，則以此幅度為基準(zhǔn)，找到缺陷不同角度A掃描的回波幅度降低6 dB時(shí)作為缺陷長(zhǎng)度；若缺陷最高幅度超過(guò)滿屏100%，則找到缺陷不同角度A掃描回波幅度降低6 dB的最大長(zhǎng)度作為缺陷長(zhǎng)度。

1.4 對(duì)比試塊

1.4.1 對(duì)比試塊的制作

為了研究不等厚焊縫的全范圍掃查，實(shí)現(xiàn)對(duì)不等厚焊縫的聲場(chǎng)全覆蓋以及利用計(jì)算機(jī)幾何仿真技術(shù)編制檢測(cè)工藝，確保檢測(cè)靈敏度和不同位置缺陷的檢出率，制作了不等厚對(duì)比試塊。對(duì)比試塊結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 對(duì)比試塊結(jié)構(gòu)示意

1.4.2 對(duì)比試塊的相控陣超聲檢測(cè)

從試塊的兩個(gè)側(cè)面(厚側(cè)和薄側(cè))進(jìn)行相控陣超聲掃查，均檢測(cè)出對(duì)比試塊上預(yù)制的缺陷，檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 對(duì)比試塊兩個(gè)側(cè)面的相控陣檢測(cè)結(jié)果

1.4.3 檢測(cè)結(jié)果分析

相控陣超聲檢測(cè)對(duì)比試塊時(shí)，只要保證超聲聲束對(duì)檢測(cè)區(qū)域的全覆蓋，不論檢測(cè)面位于焊接接頭的哪一側(cè)，對(duì)不同類型、不同深度的缺陷均能很好地檢測(cè)出，有效實(shí)現(xiàn)了圓形通孔、條形缺陷的定位和定量檢測(cè)，具有良好的檢測(cè)精度。

由檢測(cè)結(jié)果可知，探頭置于薄壁側(cè)為最佳檢測(cè)面。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可選擇4個(gè)檢測(cè)面進(jìn)行檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)焊接接頭仿真模擬參數(shù)設(shè)置如表1所示(T1為薄側(cè)厚度，T2為厚側(cè)厚度)。檢測(cè)部位示意如圖3所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)焊接接頭仿真模擬參數(shù)設(shè)置

圖3 焊接接頭的檢測(cè)部位示意

1.5 焊接模擬試塊

1.5.1 焊接模擬試塊的制作

模擬試塊主要用于檢測(cè)靈敏度的校準(zhǔn)。模擬試塊的材料、形狀、結(jié)構(gòu)、厚度，以及焊接坡口形式和焊接工藝應(yīng)與被檢工件相同或相似，在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)適當(dāng)位置設(shè)置焊接產(chǎn)生的自然缺陷。將擬采用的檢測(cè)工藝應(yīng)用到模擬試塊上，以驗(yàn)證擬采用工藝的有效性。設(shè)計(jì)制作了焊接模擬試塊，材料為16MnR鋼，薄側(cè)厚度為8 mm,厚側(cè)厚度為12 mm。

1.5.2 焊接模擬試塊的相控陣超聲檢測(cè)

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)結(jié)合了A掃描和S掃描等多種顯示模式,在整個(gè)聲束覆蓋范圍內(nèi)保證了足夠的檢測(cè)靈敏度。焊接模擬試塊的預(yù)制條形缺陷檢測(cè)圖譜見(jiàn)圖4。

圖4 焊接模擬試塊的預(yù)制條形缺陷檢測(cè)圖譜

1.5.3 檢測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)相控陣超聲檢測(cè)焊接模擬試塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部埋藏缺陷的定量檢出，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 模擬試塊相控陣超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)

1.6 線切割解剖驗(yàn)證

為了驗(yàn)證焊接模擬試塊的相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果，對(duì)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行了線切割解剖驗(yàn)證。線切割機(jī)電壓為380 kV，電流為2 A，鉬絲直徑為0.18 mm，行進(jìn)速度為90 mm·h-1。模擬試塊線切割解剖結(jié)果如表3所示。線切割解剖照片如圖5所示。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

對(duì)某乙烯廠順丁儲(chǔ)氨罐FA-602A進(jìn)行定期檢驗(yàn)，容器類別為II類，使用壓力為1.85 MPa，使用溫度不大于50 ℃，工作介質(zhì)為液氨，容積不大于5 m3，罐體材料為16MnR鋼。在定期檢驗(yàn)的常規(guī)超聲檢測(cè)時(shí)，儲(chǔ)氨罐封頭焊縫部位發(fā)現(xiàn)一處II級(jí)缺陷。

表3 模擬試塊線切割解剖結(jié)果

圖5 模擬試塊的線切割解剖照片

由于小型儲(chǔ)氨罐封頭曲率過(guò)大，因此探頭無(wú)法平穩(wěn)放置在弧面上，不管如何調(diào)整入射角度和其他參數(shù)，聲束都不能全部覆蓋焊縫區(qū)和熱影響區(qū)。只有將探頭放置在筒體部位時(shí)，才能使聲束全部覆蓋焊縫區(qū)和熱影響區(qū)，并盡可能減少漏檢部位，提高缺陷的檢出率，所以掃查面選擇在筒體上。為了對(duì)缺陷進(jìn)行定性和定量檢測(cè)，檢測(cè)人員采用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)缺陷進(jìn)行了復(fù)驗(yàn)，確定了封頭焊縫內(nèi)部存在條形缺陷。

通過(guò)相控陣檢測(cè)，從缺陷3D成像模擬仿真結(jié)果(見(jiàn)圖6)可以看出，該缺陷為條形缺陷。常規(guī)超聲檢測(cè)和相控陣超聲檢測(cè)對(duì)缺陷的定量結(jié)果如表4所示，儲(chǔ)氨罐FA-602A的相控陣超聲檢測(cè)圖譜如圖7所示。

表4 常規(guī)超聲檢測(cè)和相控陣超聲檢測(cè)對(duì)

圖6 缺陷3D成像模擬仿真結(jié)果

圖7 相控陣儲(chǔ)罐檢測(cè)圖譜

3 結(jié)論

介紹了乙烯廠儲(chǔ)氨罐的相控陣檢測(cè)技術(shù)，制定的檢測(cè)工藝在儲(chǔ)氨罐上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。結(jié)果表明，相控陣檢測(cè)缺陷的圖像顯示直觀，降低了缺陷的識(shí)別難度，檢測(cè)可靠性高。